用雷達揭開南極冰蓋下的神秘世界
據新華社上海電(記者張建松)南極大陸98%的面積被平均厚度超過2000米的堅冰覆蓋,其冰下世界「神秘莫測」。藉助冰雷達等先進科學探測手段,科學家一點點揭開南極冰蓋底部的神秘面紗。
在剛剛結束的中國第32次南極考察中,我國科學家發現南極冰蓋下存在世界上最大的峽谷以及「冰下濕地」的直接觀測證據。
圖1：南極地圖（圖/CHG）
1.冰雷達探測冰蓋
科學家根據研究推測,地球歷史上曾經多次出現過超大陸。這些超大陸「分久必合、合久必分」,其中最年輕的是盤古超大陸。在三疊紀(距今2.5億-2億年前),盤古超大陸發生裂解,分為北半球的勞亞大陸和南半球的岡瓦納大陸。約1.8億年前,南半球的岡瓦納大陸又發生裂解,南極洲由岡瓦納大陸分離解體而成,並在約0.39億年前,南極洲與澳大利亞、南極半島與南美洲最終分離,逐漸向南漂移,直至抵達地球的最南端。
剛抵達地球最南端的時候,南極洲絕大部分區域也是無冰的,年均氣溫高於結冰點。直到第三紀中期(約3400萬年前),南極洲氣溫急速下降,首先在東南極冰穹A等地區發源並出現大面積的冰川擴張；大約在距今1200萬年前,東南極大陸冰蓋的規模趨於穩定。冰蓋的出現使南極氣候進一步變冷,冰川作用範圍不斷擴大；大約在距今400萬～500萬年前,西南極冰蓋形成。此後,冰蓋覆蓋了絕大部分南極大陸,使得南極洲原本的地貌地形和冰川作用形成的冰川穀底被深深掩埋。
上世紀60年代,英國劍橋大學斯科特極地研究中心引入冰雷達系統用於測量南極冰蓋的厚度。冰雷達探測是基於電磁波理論,通過雷達回波技術研究冰雪介質特徵,獲取冰體厚度、冰下地形地貌和內部結構信息。
1979年,英國劍橋斯科特極地研究中心、美國自然基金委和丹麥技術大學,曾在南極冰蓋上共同實施了第一次大範圍的冰雷達探測,探測斷面總長約40萬公里,在86%的斷面上探測到冰下基岩界面,從而繪製了第一幅南極的冰下地形圖,並測到南極冰蓋的平均厚度為2500米,最大冰厚為4700米。
經過發展,如今,冰雷達技術已成為南極冰蓋探測研究不可或缺的方法,雷達測線覆蓋了南極冰蓋的絕大部分區域,研究範圍從探測冰厚擴展到冰下地形、冰蓋底部環境、物質平衡等多方面。冰雷達與冰川物理學相結合,還形成了一門新學科——雷達冰川學。
2.中國科學家的發現
相對於西南極冰蓋,冰雷達在廣袤的東南極冰蓋的探測研究相對較少,尤其是我國崑崙站所在的冰穹A地區。自中國第21次南極考察以來,我國科考隊員利用冰雷達系統,對中山站-冰穹A的斷面以及冰穹A的中心區域進行了持續不斷的探測。結果發現,冰穹A下方的甘布爾采夫山脈,好似阿爾泰山脈般峻峭壯觀。國際期刊《自然》雜誌曾刊登了中國極地研究中心副主任孫波領銜的相關研究成果。
圖3：冰雷達（在直升機下方）（圖/www.sdi-china.com）
孫波等中國科考隊員發現,在地球漫長的氣候演化過程中,甘布爾采夫山脈被厚厚的冰層保護起來,沒有受到風化侵蝕作用的影響,完好地保存著不同地質年代、由於不同外力作用而形成的「高山縱谷交錯」的神奇地貌。早期流水作用形成的溪谷河床群,構成了冰下的甘布爾采夫山脈樹枝狀地貌；之後經冰川作用,疊加出冰斗狀、刃脊狀等地貌特徵；繼而在強烈冰川侵蝕作用下,產生了巨大的U型主幹谷地貌,谷底與谷肩的垂直落差高432米。（谷肩是地貌學名詞。由於侵蝕基準面下降或構造運動抬升，在古谷地中下切形成谷中谷，原來老谷地之底則成為新谷地的谷肩。）
在中國第32次南極考察期間,依託我國首架極地固定翼飛機「雪鷹601」上搭載的冰雷達、重力儀、磁力計、激光高度計及高精度差分GPS等科學調查設備,孫波帶領我國科考隊員對泰山站附近的伊麗莎白公主地進行了大規模探測。
圖4：雪鷹601（新華社記者朱基釵 攝）
據孫波介紹,此次探測,冰雷達數據清晰顯示:東南極冰蓋伊麗莎白公主地的冰蓋底部存在一條完整的大峽谷,該峽谷長度超過1000公里,峽谷頂部最大寬度26.5公里,峽谷深度超過1000米。其規模超過美國科羅拉多大峽谷,堪稱地球表面迄今發現的最大峽谷。
此次探測還發現:在伊麗莎白公主地的冰蓋底部,發育有眾多冰下湖泊和冰下水道,且相互貫通連接形成龐大的冰下水系。其中一個冰下湖泊的寬度達26.5公里,另一個冰下湖泊形成於冰層厚度超過4000米的地方。
這表明:南極冰蓋底部最大的融水流域和「冰下濕地」有可能在此孕育而成。該區域的深部冰層呈現大範圍「暖冰」現象,表明冰下岩石圈地熱通量顯著異常。深部冰層溫度明顯高於其他區域,更易於融化形成冰下湖泊和水系。
3.重要科學意義
巨厚的南極冰蓋下方隱藏著眾多未知之謎。1903年,當斯科特船長首次踏入南極麥克默多干谷時,曾失望地記錄道:「我們見不到任何活體,甚至沒有一棵苔蘚和地衣……這無疑是一個死谷。」然而,隨著時間推移,人們發現:南極內陸有特殊生命形態存在。
科學家通過對南極東方站、冰穹C站內陸深冰芯以及威廉斯冰流鑽探的分析顯示,南極冰凍圈支撐著一些地球上最為不尋常和極端的微生物生態系統,包括真菌、細菌、孢子、花粉粒和硅藻等,甚至包括我們以前未見過的生命形態。
這些微生物向我們提出了前所未有的重大科學問題。比如:生命是否真的起源於原始「熱」海洋?古老微生物如何適應冰凍環境?是否存在目前我們所未知的生命形態?它們又能為探尋地外生命提供怎樣的科學依據和啟迪?
上世紀60年代以來,科學家利用冰雷達已探明南極冰下湖數目達280多個。其中,位於俄羅斯東方站冰蓋下約3700米深處的東方湖,是面積最大、最深的一個。科學家推測,湖中可能存在100萬年、甚至1000萬年前的古老原生態生命物質。這些冰下湖中的生命形態,可以為我們探索如「木衛二號」冰海下生命提供一個理想的試驗場所。
科學家還推測,南極冰下湖在長達3400萬年的漫長時間裡,完全與外部世界隔絕,但也許是由於有來自於陸地深層的熱量,河流和湖泊一直處於運動中。這種運動,是否是南大洋海洋底層水的一個重要源泉?
「這次由中國科學家領銜的航空科學調查行動,取得的階段性現場考察成果令人非常振奮,這些最新發現對深刻理解冰蓋穩定性及其對全球海平面的影響、揭示冰下地質構造和熱狀態及其演化、尋找南大洋超冷水和底層水生成源區域等都具有非常重要的意義。」孫波說。
來源：新華每日電訊15版（2016年04月22日）(綠色文字、圖片及注釋除外）
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